Convective and Advective Heat Transfer in Geological Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Ord, Alison

出品人:

页数:229

译者:

出版时间:

价格:$ 157.07

装帧:

isbn号码:9783540795100

丛书系列:

图书标签:

• Heat Transfer
• Convection
• Advection
• Geological Systems
• Geophysics
• Earth Sciences
• Fluid Dynamics
• Thermal Transport
• Porosity
• Rock Physics

专著：《地下系统中的流体动力学与热量传递》 本书聚焦于地球科学和工程领域中，地下介质内流体运动、物质输运与能量交换的复杂耦合机制。 核心内容概述： 本书系统地探讨了在多孔和裂隙介质中，流体动力学（渗流）与热量传递过程的相互作用。我们深入分析了驱动地下系统内物质和能量迁移的关键物理过程，尤其关注在非饱和带、饱和带、地热系统以及地下水污染迁移等场景下的独特挑战与现象。 第一部分：地下介质特性与流体流动基础 本部分为理解后续复杂过程奠定理论基础。首先，我们详细阐述了地下岩石和土壤的微观结构特征，包括孔隙度、渗透率（Darcy定律的适用性与局限性）、比表面积、以及介质骨架的力学响应。 1.1 多孔介质的流体力学 深入分析了达西定律（Darcy's Law）的微观基础和宏观应用，并扩展至非牛顿流体在地下介质中的流动特性。探讨了高梯度流动（如在裂隙流或高速渗流中）的惯性效应，并引入了 Brinkman 方程和 Forchheimer 模型来描述不同流态下的阻力机制。 1.2 裂隙介质流动 裂隙系统在控制深部地质过程中的重要性不言而喻。本章侧重于描述平行板模型（Couette-Poiseuille 流动）在描述双孔隙介质（Dual Porosity/Permeability Systems）中的应用。我们分析了宏观尺度下裂隙网络对整体水力连通性的影响，以及裂隙与基质之间的物质交换机制。 1.3 边界条件与初始条件 详细讨论了地下水文地质模拟中常见的边界类型，包括定水头边界、定流量边界（渗透边界）、以及与大气水循环相关的自由表面边界（非饱和带问题）。对于瞬态问题，清晰界定了时间尺度下的初始条件设定方法。 第二部分：地下系统中的热量传递机制 本部分专注于分析热量在地下岩土体中的主要传递路径：传导、对流和（在某些极端情况下）辐射。 2.1 导热过程的理论基础 详细推导了在稳态和非稳态条件下，热量在固体基质和流体相中传输的傅里叶定律在多孔介质中的应用形式。重点讨论了介质的有效热导率（Effective Thermal Conductivity）的计算方法，包括并行模型、串联模型以及由介质孔隙度和饱和度决定的混合律。 2.2 热对流的驱动与量纲分析 热对流是地下热量传递的核心驱动力。本章引入了 Rayleigh 数和 Péclet 数等关键无量纲参数，用于量化浮力驱动（自然对流）与强制对流（如地热采暖/冷却回路）的相对重要性。对 Rayleigh 数在临界值时的稳定性分析，对于预测地下热流失和对流单元的形成至关重要。 2.3 热量与质量耦合的复杂性 分析了温度梯度引起的密度变化如何反馈影响流体速度场，特别是对流的启动条件（如在封闭系统中，密度差达到临界值时，热驱动流动的自发性）。探讨了在存在温度梯度下，热量在液体和固体颗粒间的动态交换过程。 第三部分：多物理场耦合——溶质输运与化学反应 流体流动和热量传递过程不可避免地伴随着物质的迁移和地球化学反应，本部分将重点分析这些耦合现象。 3.1 溶质对流-弥散方程 溶质在地下系统中的迁移由 advection（对流）和 dispersion（弥散）共同控制。我们详细阐述了广义的对流-弥散方程（Convection-Dispersion Equation, CDE），区分了分子扩散、机械弥散在不同尺度上的贡献。重点讨论了由于介质非均质性导致的宏观弥散系数的尺度依赖性。 3.2 滞后效应与反应动力学 深入研究了污染物与地下介质骨架间的相互作用，包括吸附/解吸（Sorption）、离子交换、以及生物地球化学反应。通过建立反应速率模型（如一级反应或 Langmuir 模型），量化这些过程对溶质迁移速度和终端浓度的影响，特别是引入滞后因子（Retardation Factor）的概念。 3.3 地热系统中的热化学耦合 在高温地热系统中，温度变化会显著影响矿物的溶解度和沉淀速率，从而改变渗透率和流体化学成分。本章分析了热驱动下的化学变化如何导致系统反馈，例如硅酸盐沉淀引起的堵塞（Scaling）和碳酸盐溶解导致的通道化。 第四部分：应用案例与数值模拟方法 本书最后一部分将理论框架应用于实际工程和环境问题，并介绍求解这些复杂方程组的计算工具。 4.1 地热能开采与封存 案例分析了增强型地热系统（EGS）中的热储层设计、循环流体与围岩的热冲击效应、以及长期运行中的热响应模拟。讨论了 CO2 地质封存过程中，CO2 迁移、相变与围岩温度分布之间的相互作用。 4.2 放射性废物处置库模拟 在深层地下处置库的安全性评估中，流体流动、热量传递和放射性核素迁移的长期耦合预测至关重要。本章基于多孔介质流动理论，评估了吸附/衰变过程对核素到达地表时间的影响。 4.3 数值方法的选择与实现 鉴于地下系统问题的复杂性，解析解往往不可得。本书详细介绍了常用的数值方法，包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）以及有限体积法（FVM）在处理质量守恒和能量守恒方面的优势与劣势。重点讨论了如何处理高度非线性的耦合方程组的求解策略，如迭代方案的选择和收敛性分析。 本书特点： 本书力求在理论深度与工程应用之间找到平衡，详细推导了核心控制方程，并辅以大量实例说明参数选择和模型构建的实际考量。其结构设计旨在为地质工程师、水文地质学家以及地球物理研究人员提供一个全面且深入的参考工具。

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